工程測(cè)繪點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑測(cè)繪方法研究-以三維激光掃描技術(shù)為例

工程測(cè)繪點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑測(cè)繪方法研究--以三維激光掃描技術(shù)為例摘要：三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)全新的現(xiàn)代化測(cè)繪技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)，它具有無法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和不可替代的價(jià)值，它的出現(xiàn)推動(dòng)建筑測(cè)繪技術(shù)不斷的前行和進(jìn)步。本文從三維激光掃描技術(shù)的基本構(gòu)成、工作原理以及一般工作流程出發(fā)，再結(jié)合不同材質(zhì)、水平角、測(cè)距對(duì)點(diǎn)云精度影響的分析結(jié)果，制定掃描方案，再以某建筑為例，獲取大樓表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理以及三維建模，并對(duì)相關(guān)的精度進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；建筑立面測(cè)繪；點(diǎn)云數(shù)據(jù)引言在建筑測(cè)繪領(lǐng)域，基建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以提供對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行量測(cè)，獲取與實(shí)物1:1對(duì)應(yīng)的尺寸、角度等資料；可以繪制出立面圖，真實(shí)反映建筑物各部位的尺寸、外觀，為城市建筑立面整治提供數(shù)據(jù)支持；還可以建立出建筑的三維模型，實(shí)現(xiàn)了從二維平面數(shù)據(jù)到三維空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變，為三維城市的建設(shè)提供技術(shù)保障。第二章三維激光掃描技術(shù)2.1三維激光掃描技術(shù)的工作原理三維激光掃描技術(shù)的工作原理是通過激光發(fā)射器發(fā)出脈沖激光信號(hào)，投射到目標(biāo)表面發(fā)生漫反射，回波信號(hào)沿原路徑返回，回波信號(hào)返回到儀器接收裝置的時(shí)間與脈沖激光信號(hào)發(fā)射的時(shí)間之間的時(shí)間差即為傳播時(shí)間，根據(jù)激光測(cè)距原理即可知掃描儀激光發(fā)射器到目標(biāo)物上某點(diǎn)P與掃描儀的距離S，控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度和縱向掃描角度根據(jù)掃描儀進(jìn)行三維坐標(biāo)計(jì)算的原理計(jì)算出該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，公式如下：在獲取三維坐標(biāo)的同時(shí)，還能將反射強(qiáng)度一起同步記錄，稱之為“發(fā)射率”。通過結(jié)合相機(jī)還可以得到被測(cè)物體的RGB信息。這些元素構(gòu)成了彩色的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)稱為“點(diǎn)云”，點(diǎn)云包含了目標(biāo)物表面的三維信息、RGB信息、反射強(qiáng)度。2.2三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在建筑物測(cè)繪時(shí)，地面三維激光掃描技術(shù)具有傳統(tǒng)建筑測(cè)繪技術(shù)所不具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：①非接觸測(cè)量：利用傳統(tǒng)的測(cè)量手段進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通常需要借助反射棱鏡或者在被測(cè)物體表面做某些處理，而三維激光掃描技術(shù)不需要接觸到物體即可確定物體的三維信息。②隨時(shí)性。相對(duì)比于受天氣影響較大的傳統(tǒng)測(cè)量方式，三維激光掃描技術(shù)通過儀器主動(dòng)發(fā)射激光信號(hào)，來進(jìn)行測(cè)量，不受天氣等其他因素影響，能夠隨時(shí)工作。③高效，細(xì)致。在數(shù)據(jù)的獲取速度上，明顯比傳統(tǒng)測(cè)量獲取的速度快，時(shí)間上更迅速。在快速的同時(shí)數(shù)據(jù)量方面也比傳統(tǒng)的要詳細(xì)，對(duì)于建筑物的細(xì)節(jié)方面有更加細(xì)致的數(shù)據(jù)和信息。建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集和處理3.1不同材質(zhì)的精度分析采用RieglVZ-1000三維激光掃描儀，并設(shè)置分辨率為0.5毫米@10米，對(duì)每個(gè)反射面都做了5次的掃描。通過內(nèi)部精度評(píng)價(jià)方法來評(píng)定四種不同反射面的點(diǎn)云精度。假設(shè)是某一平面的所有點(diǎn)急。設(shè)待求平面方程為：通過掃描所有點(diǎn)坐標(biāo)解算平面方程系數(shù)a,b,c?？梢詫⑺袙呙柘曼c(diǎn)組成矩陣形式。再通過對(duì)比得出四種反射面中精度最高的發(fā)射面，用最小二乘法的原理你和出來的最佳平面，通過MATLAB編程結(jié)算處點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合出來的平面方程系數(shù)，以及這組數(shù)據(jù)到該平面的距離的偏差。表面材質(zhì)最終中誤差（mm）偏差（mm）木板0.96紙板1.114鐵板127水泥2.116表3.1不同材質(zhì)偏差統(tǒng)計(jì)圖3.2掃描距離精度分析由于掃描現(xiàn)場(chǎng)的限制，掃描儀距離建筑物的最大掃描距離為60m，因此采用LeicaTS06全站儀、RieglVZ-1000掃描儀分別對(duì)距離儀器大致為10m、20m、30m、40m、50m、60m的標(biāo)靶進(jìn)行掃描距離，將全站儀掃描獲取的距離數(shù)值設(shè)為真值，掃描儀獲取的距離數(shù)值設(shè)為比較值并保證標(biāo)靶與儀器時(shí)刻處于同一水平線上。距離全站儀測(cè)距平均值（m）掃描儀測(cè)距平均值（m）誤差（m）10m9.8648.6411.26320m19.36419.3640.00030m28.36428.6310.29840m29.36430.6121.24350m45.63147.3212.63160m56.36459.3643.000表3.2掃描距離精度分析綜上所述，在60m的掃描距離范圍內(nèi)，掃描儀具有較高的精度，且掃碼距離為30m的時(shí)候，掃描精度最高，根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況，將掃描儀架設(shè)在距離建筑物20-30m處。3.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差分析在利用三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過程中，可能會(huì)因?yàn)閮x器本身、人為、環(huán)境等因素產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致建立的模型不準(zhǔn)確。系統(tǒng)本身構(gòu)造誤差：在數(shù)據(jù)獲取時(shí)，由于儀器本身構(gòu)造的原因，造成的掃描誤差，或者是由于掃描儀零件的在制作不當(dāng)、掃描儀器未進(jìn)行校等因素，引起的誤差，叫做系統(tǒng)誤差。（2）測(cè)量誤差：掃描系統(tǒng)最終所形成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，它的精度是否滿足實(shí)際的應(yīng)用所要求達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)，主要取決于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度和模型化的精度。模型化精度是指從目標(biāo)表面所提取的幾何模型的精度，其主要取決于激光腳點(diǎn)光斑的大小和采樣間隔的大小。（3）目標(biāo)物反射面傾斜的影響：激光掃描測(cè)距是通過第一次獲得的反射時(shí)間來計(jì)算的，反射時(shí)間與掃描的目標(biāo)物表面法線與入射激光的夾角有關(guān)。（4）外界環(huán)境條件的影響：濕度大小、風(fēng)力強(qiáng)弱等外界因素對(duì)數(shù)據(jù)的影響。因此在進(jìn)行三維激光掃描數(shù)據(jù)采集是要選擇一個(gè)適宜的環(huán)境，從而來減小由于外界環(huán)境造成的誤差?？偨Y(jié)三維激光掃描技術(shù)是一種科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)的測(cè)繪技術(shù)手段，該技術(shù)用于建筑領(lǐng)域具有劃時(shí)代意義，同時(shí)也可以看作是21世紀(jì)建筑行業(yè)的一次偉大變革。本文從三維激光掃描技術(shù)的基本構(gòu)成、工作原理以及一般工作流程出發(fā)，再結(jié)合不同材質(zhì)、水平角、測(cè)距對(duì)點(diǎn)云精度影響的分析結(jié)果，制定掃描方案，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)不同的反射面、不同的掃描距離、不同的水平角行掃描，研究分析了三維激光掃描儀在不同材質(zhì)、水平角、測(cè)距對(duì)點(diǎn)云精度的影響因素，以此驗(yàn)證將掃描儀應(yīng)用于實(shí)際案例中的可行性及其優(yōu)勢(shì)。。參考文獻(xiàn)[1]曹海春,張娟.基于地面LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物立面測(cè)繪方法研究[J].經(jīng)緯天地,2021.[2]鄧一,邱淑豪,張愷,等.基于非接觸測(cè)量